电介质元表面的等强度光束生成演示
Summary
提出了介电元表面的制造和光学表征方案。该方法不仅可用于光束分割器的制造,还可用于一般介电元表面的制造,如透镜、全息图和光学斗篷。
Abstract
演示了元表面光束分路器的制造和表征协议,可实现均强度光束生成。氢化非晶硅(a-Si:H)沉积在熔融硅基板上,使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)。蒸发沉积的典型非晶硅会导致严重的光学损耗,从而影响在可见频率下的操作。非晶硅薄膜内的氢原子可以减少结构缺陷,改善光学损耗。在可见频率下操作元表面需要几百纳米的纳米结构。由于衍射极限,传统的光刻或直接激光书写在制造这种小结构时是不可行的。因此,使用电子束光刻 (EBL) 在薄膜上定义铬 (Cr) 掩膜。在此过程中,在低温下开发暴露的电阻,以减缓化学反应,使型板边缘更锐利。最后,使用电感耦合等离子体-反应电蚀刻(ICP-RIE)沿掩膜蚀刻a-Si:H。由于EBL的吞吐量低,该方法在大规模制造中不可行,但可以将其与纳米印迹光刻相结合加以改进。制造器件的特点是定制光学设置,包括激光、偏光器、透镜、功率计和电荷耦合器件(CCD)。通过改变激光波长和极化,测量衍射特性。无论事件极化和波长如何,测量的衍射光束功率始终相等。
Introduction
由二维亚波长天线阵列组成的元表面已经显示出许多有前途的光学功能,如无色透镜1,2,全息图3,4,5 ,6和光学斗篷7。传统的笨重光学元件可以替换为超薄的元表面,同时保持原有的功能。例如,分束器是一种光学设备,用于将入射光束分离成两束光束。典型的分束器是结合两个三角形棱镜。由于它们的接口特性决定了光束分裂特性,因此很难在不降低功能的情况下减小物理尺寸。另一方面,超薄分束器可以通过一维线性相位梯度8、9编码的元表面来实现。元表面的厚度小于其工作波长,分离特性可以通过相位分布控制。
我们设计了一个元表面光束分路器,无论入射极化状态为10,都能产生同等强度的光束。这个特征来自傅立叶全息图。由于黑色背景上两个白色斑点的图像,从元表面生成的全息图与编码图像相同。傅立叶全息图没有特定的焦距,因此可以在元表面11后面的整个空间中观察到编码的图像。如果在元表面后面生成相同的双点图像,它也用作光束分割器。元表面的傅立叶全息图相对于正交极化状态创建一个倒影,称为双图像。双图像通常被视为噪声。但是,在此元表面编码的双点图像是原点对称的,导致原始图像和双图像完美重叠。由于任何极化状态都可以由右手 (RCP) 和左手 (LCP) 圆形极化的线性组合表示,因此此处描述的器件显示了独立于极化的功能。
在这里,我们提出了一个协议,用于介电元表面的制造和光学表征,实现等强度光束生成。此器件的相位分布是从Gerchberg_Saxton(GS)算法中检索的,该算法通常用于仅相位全息图12。a-Si:H 厚 300 nm,使用 PECVD 沉积在熔融石英基板上。Cr 掩模在 a-Si:H 胶片上定义,使用 EBL。掩码模式对应于从 GS 算法派生的相位分布。ICP-RIE 被利用来沿 Cr 掩膜蚀刻 a-Si:H 胶片。Cr 掩模的其余部分通过完成样品制造完成 Cr 蚀刻器移除。使用定制的光学设置来描述制造元表面的光学功能。当激光束入射到元表面时,传输的光束被分成三个部分,即两个衍射光束和一个零阶光束。衍射光束偏离入射光束路径的延伸,而零阶光束则跟随其。为了验证此器件的功能,我们分别使用功率计、CCD 和量角测量了光束功率、光束轮廓和衍射角。
所有使用的制造工艺和材料都针对目标功能进行了优化。对于可见工作频率,单个天线尺寸应为几百纳米,材料本身在可见波长时应具有低光损耗。在定义这种小结构时,只有几种制造方法适用。由于衍射极限,典型的光刻以及直接激光书写无法进行制造。可采用聚焦式水梁铣削,但存在镉污染、型板设计依赖、工艺速度慢等关键问题。实际上,EBL是促进在可见频率13下工作的元表面制造的唯一方法。
由于金属不可避免的欧米损失,电介质通常更受欢迎。a-Si:H 的光学损耗足够低,足以达到我们的目的。虽然a-Si:H的光学损耗不如低损耗介电,如二氧化钛1,4和晶体硅14,但a-Si:H的制造要简单得多。典型的蒸发和溅射过程不能沉积 a-Si:H 薄膜。通常需要 PECVD。在PECVD过程中,一些来自SiH4和H2气体的氢原子被困在硅原子中,从而产生一个a-Si:H薄膜。有两种方法可以定义 a-Si:H 模式。一个是a-Si:H在图案光刻胶上沉积,然后是升空过程,另一个是通过在a-Si:H胶片上定义蚀刻面膜,然后是蚀刻过程。前者非常适合蒸发过程,但使用蒸发法沉积a-Si:H膜并不容易。因此,后者是创建 a-Si:H 模式的最佳方式。Cr 因其高蚀蚀选择性硅而用作蚀刻掩膜材料。
Protocol
Representative Results
Discussion
一些制造步骤应谨慎执行,以生成与原始设计相同的元表面。在电阻开发过程中,通常首选低温溶液。标准条件为室温,但反应速度可以通过将溶液温度降至0°C来降低。尽管相应的反应时间变长,但比标准条件更精细。反应时间控制也容易,因为反应速度低。精细模式的另一个关键步骤是在抗性开发后干燥 IPA。N2气体移动并蒸发样品上 IPA 的其余部分。一定数量的 IPA 不会移动,从而创建随机分布…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作由国家研究基金会赠款(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2018M3D1A1058998、NRF-2015R1A5A10376668)资助。
Materials
| Plasma enhanced chemical vapor deposition | BMR Technology | HiDep-SC | |
| Electron beam lithography | Elionix | ELS-7800 | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| Inductively-coupled plasma reactive ion etching | DMS | – | |
| Ultrasonic cleaner | Honda | W-113 | |
| E-beam resist | MICROCHEM | 495 PMMA A2 | |
| Resist developer | MICROCHEM | MIBK:IPA=1:3 | |
| Conducting polymer | Showa denko | E-spacer | |
| Chromium etchant | KMG | CR-7 | |
| Acetone | J.T. Baker | 925402 | |
| 2-propanol | J.T. Baker | 909502 | |
| Chromium evaporation source | Kurt J. Lesker | EVMCR35D | |
| Collimated laser diode module | Thorlabs | CPS-635 | wavelength: 635 nm |
| ND:YAG laser | GAM laser | GAM-2000 | wavelength: 532 nm |
| power meter | Thorlabs | S120VC | |
| CCD Camera | INFINITY | infinity2-2M | |
| ND filter | Thorlabs | NCD-50C-4-A | |
| Linear polarizer | Thorlabs | LPVISA100-MP2 | |
| Lens | Thorlabs | LB1676 | |
| Iris | Thorlabs | ID25 | |
| Circular polarizer | Edmund optics | 88-096 | |
| sample holder | Thorlabs | XYFM1 | |
| PECVD software | BMR Technology | HIDEP |
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